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煤炭开采催生蒸汽机发明
浏览: 发布日期:2019-12-21

    蒸汽机是人类历史上最伟大的技术发明之一,它的发明和应用都与煤矿密切相关。古代人从烧烤食物中发现烧烤食物时常有树叶或草灰被热气吹起飘舞,在火堆上方还能感受到一股热气推力,这是火的“热空气动力”效应,于是他们以此游戏取乐。当使用灯笼时,其上端就始终有热气流涌上,可使纸片或羽毛飘动。得此启发,五代的闽国人萃七娘在公元前121年发明了松脂灯,这是世界上最早的热气球。后来,萃七娘又发明了走马灯,燃灯以后,热气上熏,纸轮辐转,灯屏上即出现人马追逐、物换景移的影像,如图1 -la所示。这是燃气涡轮的始祖,也是人类利用热空气动力的第一台机器。

    公元1世纪,古希腊的发明家希罗( Hero)发明了蒸汽动力转球,它是支承在两根垂直导管上的空心球体,当加热下面容器内的水时,蒸汽便沿着两根导管分别进人球内,从球上两根相反方向的弯管喷出,由于喷气的反作用使球转动,这是第一个把蒸汽压力转化为机械动力的装置,如图1一1h所示。

    燃料革命之后,英国采煤业发展很快,开采深度逐步增大使矿井排水成为一个大问题。当时的矿井排水使用人力和畜力,有的英国煤矿用500匹马轮流拖动水泵。为了解决矿井排水的动力需求问题,1688年,法国物理学家巴本受炼铁厂活塞式风箱的启发,制造出第一台利用蒸汽的活塞动力机械。1698年,英国机械工程师赛维利设计出由圆筒和锅炉


构成的蒸汽排水泵。1705年,英国铁匠纽科门和考利、赛维利共同试制出第一台蒸汽机,用于矿井的排水作业,如图1一2a所示;1712年,他们把蒸汽汽缸和抽水缸分开,蒸汽通人汽缸后在内部喷水使它冷凝,造成汽缸内部真空,汽缸外的大气压力推动活塞作功,再
通过杠杆、链条等机构带动水泵活塞,称为纽科门蒸汽机。到1720年,英国全部煤矿和金属矿都使用了蒸汽机驱动排水泵。
    詹姆斯·瓦特于1757年在格拉斯哥大尝担任机器制造师职务,他发现纽科门蒸汽机的汽缸反复加热、冷凝而浪费很多蒸汽,为此设计了一个与汽缸分离的低温冷凝器来冷凝蒸汽,在汽缸外面加了绝热层以保持汽缸的高温状态;1765年,他制造出第一台有分离凝汽器的小型蒸汽机,如图1一2b所示;此外,他把纽科门蒸汽机抽水泵的连杆改为曲柄机构,带动一个皮带轮转动,这样就把蒸汽动力驱动的往复直线运动转换成为转动,如图
 1-2c所示。1776年,瓦特在英国伯明翰制造这种新机器;1784年,他为蒸汽机增加了一种自动调节蒸汽机速度的装置,使它能适用于各种机械的驱动。历时近30年,瓦特终于完成了蒸汽机的改进、完善和实用化创新,从此为纺织业、采矿业、冶金业、造纸业、陶瓷业、运输业提供了蒸汽机驱动力,引发了一场工业技术革命。
    当时无人能料到,源于解决煤矿抽水问题的蒸汽机发明,使自然赋予的煤炭能源与代替人力的蒸汽动力机械得以完美结合,对人类文明发展产生了巨大影响。恩格斯在《自然辩证法》中对蒸汽机有专门的评价:“在发现摩擦取火以后,一定经过了好几千年,亚历山大的希罗才发明了一种用本身发出的水蒸气使之转动的机械。”又过了差不多两千年,才造成了第一部蒸汽机,第一个把热能转化为真正有用的机械运动的装置。蒸汽机是第一
个真正国际性的发明。
    对煤矿开采而言,它不仅在于解决了煤矿的排水问题,更重要的是为近代采煤技术变革提供了重要基础。从此,矿井采用蒸汽机带动提升机、排水机和通风机,替代了古老的辘护提升、水斗提水和自然通风,从而实现了煤矿运载(固体、流体、气体)系统的机械化,这是近代采煤与古代采煤的根本区别,使煤矿开采深度和范围大幅度拓展。

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